本發(fā)明涉及水下電弧熱切割裝備領域，具體來說，本發(fā)明涉及一種水下熱切割機理觀察裝置及其觀察方法。

背景技術：

水下熱切割技術是海洋工程中一種重要的作業(yè)方法，對其切割機理進行深入研究是不斷提高切割質量和效率的有效途徑。對水下熱切割過程進行直接觀察是研究水下熱切割過程機理和工藝最有效的途徑。由于水下熱切割時熱源時常沒入工件表面以下，且割口區(qū)域會產生氣泡并向四周發(fā)散，致使目前已有的觀察方法難以對水下熱切割過程中割口形狀、電弧運動方式及熔滴過渡進行清楚地觀察。

申請?zhí)枮?01410220889.4和201410536060.5的已公開專利介紹了兩種水下焊接觀察裝置及使用方法，不過水下焊接時電弧是位于工件上方，而水下熱切割時熱源經常沒入工件表面以下，上述兩個專利無法用于水下熱切割過程進行觀察。申請?zhí)枮?01610316115.0的已公開專利提出一種水下熔化極電弧切割高速攝像觀測裝置及其使用方法，使用該方法觀察，由于切割過程中割口附近會產生大量氣泡，且氣泡不受任何約束向四周自由擴散，以及切割過程中產生的金屬熔融物也向四周擴散會遮擋住光路，所以該專利觀察水下熱切割機理效果不佳。

技術實現要素：

針對現有技術中存在不足，本發(fā)明提供了一種水下熱切割機理觀察裝置及其觀察方法。

本發(fā)明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種水下熱切割機理觀察裝置，包括箱體5、x軸觀察系統、y軸移動系統、z軸移動系統，所述箱體5為中空的立體箱體，所述箱體5中充滿適用于進行熱切割的液體，待切割的工件7放置于箱體5內，工件7被切割液體覆沒；所述y軸移動系統沿平行于工件7的切割方向設置，所述工件7與所述y軸移動系統連接，所述y軸移動系統能夠帶動工件7在與箱體5一邊平行的方向進行位置調整；所述x軸觀察系統沿垂直于工件7的切割方向設置；所述z軸移動系統設置于所述y軸移動系統的一側，所述z軸移動系統上固定有焊槍割炬4，所述z軸移動系統驅動所述焊槍割炬4在垂直與水箱底面的方向上進行位置調節(jié)。

進一步的，所述x軸觀察系統包括排水導光通路3，所述排水導光為一圓筒形通道，并且沿垂直于所述y軸移動系統布置的方向設置于水箱的側壁，并且延伸凸出箱體5；所述圓筒形通道的中間部分斷開，而該空缺的部分用于放置工件，所述排水導光通路3對準工件切割位置。

進一步的，所述圓筒形通道與所述箱體5接觸的位置設置有透明鏡片，所述透明鏡片在水箱接合位置密封從而防止液體的泄露。

進一步的，所述x軸觀察系統還包括計算機1、高速攝相機2與背景光源14，所述高速攝相機2與背景光源14沿排水導光通路3的軸線設置于所述排水導光通路3的兩端，所述高速攝相機2連接計算機1，所述高速攝相機2將拍攝的切割數據傳送至計算機1的顯示終端。

進一步的，所述y軸運動系統包括龍門架11、導軌15，16、絲桿17以及滑塊19，所述龍門架11橫跨于箱體5的上方，并且所述龍門架11的橫梁平行于所述平行于工件7的切割方向設置；所述龍門架11的橫梁上固定安裝有所述導軌15，16與絲桿17，所述導軌15，16與絲桿17平行設置；所述導軌15，16上可移動的安裝有所述滑塊19，所述滑塊19上與所述絲桿17螺旋連接。

進一步的，所述y軸運動系統還包括步進電機23，所述步近電機23設置于所述導軌15，16的一端，所述步進電機23的輸出軸與所述絲杠17連接；所述步進電機23正轉或反轉帶動所述絲杠17轉動，所述絲杠17驅動所述滑塊19在導軌15，16進行平移。

進一步的，所述y軸移動系統還包括切割工作臺9，所述切割工作臺9包括連接桿與盛放框，所述連接管一端固定連接在所述滑塊19上，所述連接桿朝所述箱體5的底面的方向延伸，所述盛放框固定在連接桿上遠離滑塊19的一端；所述滑塊19能夠驅動所述切割工作臺進行位置調整。

進一步的，所述z軸運動系統包括立柱25、豎直導軌31，33、豎直絲桿32、豎直滑塊29、支架35與豎直步進電機24，所述立柱25設置于y軸移動系統的一側，所述立柱25沿垂直于箱體5底面的方向布置；所述立柱25上固定安裝有所述豎直導軌31，33與豎直絲桿32，所述豎直導軌31，33與豎直絲桿32平行設置；所述豎直導軌31，33上可移動的安裝有所述豎直滑塊29，所述豎直滑塊29與所述豎直絲桿32螺旋連接；所述支架35為一l形的連桿，該支架35的短桿固定在所述滑塊29上，支架35長桿的一端設有滑套，所述滑套上固定安裝有焊槍割炬4；所述豎直步近電機24設置于所述立柱25的頂端，所述豎直步近電機24的輸出軸與所述豎直絲桿32連接，所述豎直步進電機24正轉或反轉帶動所述豎直絲杠32轉動，所述豎直絲杠32驅動所述豎直滑塊29在豎直導軌31，33上移動，從而帶動焊槍割炬4在豎直方向進行位置調整。

進一步的，所述工件7固定放置在所述切割工作臺9上，所述工件7為一截面為矩形的長條形的塊狀零件；所述工件7位于兩塊平行設置的玻璃6,8之間，兩塊玻璃夾緊所述工件7。

還包括一種水下熱切割機理的觀察方法，包括如下步驟，

s1.將工件7放置于所述兩塊玻璃6,8之間，并且通過夾具夾緊固定在所述切割工作臺9上；

s2.通過y軸移動系統調節(jié)切割工作臺9的位置，通過z軸移動系統調節(jié)焊槍割炬4的高度，使得水下熱切割焊槍割炬4上的導電嘴端部到工件7上表面的距離為8-15mm；然后使排水導光通路3與排水導光通路10的貫穿面經過焊槍割炬4端部、工件7被切割區(qū)域；

s3.打開背景光源14與高速攝像機2，調節(jié)背景光源14與高速攝像機2的位置，使得背景光源14發(fā)出的光源經過排水導光通路3和排水導光通路10被高速攝像機2接收；調節(jié)背景光源14光強，調節(jié)高速攝像機2上的減光片并匹配相應波長的濾光片；

s4.將箱體5將加滿水，打開切割電源，調節(jié)切割參數，準備切割實驗，切割時z軸移動系統帶動焊炬割槍4做上下往復運動，y軸移動系統帶動切割工作臺9上的工件7水平移動，隨著切割過程的進行，切割割口逐漸形成，高速攝像機2實現對割口及電弧區(qū)域的觀測；

s5.切割結束后，對高速攝像機2采集的圖像通過計算機1處理并分析。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明中工件厚度低于熱切割所能形成割口的寬度，因此當工件形成割口后，背景光可穿過割口，通過工件兩旁的玻璃作用，迫使水下切割區(qū)域產生的氣泡向工件上方冒出，對高速攝像與背景光源軸向方向沒有影響，故可以清楚地觀察到水下熱切割過程，包括切割過程中割口形狀的變化、電弧的運動方式以及熔滴過渡形式；

2、本裝置可以對獲取的圖像進行后期圖像處理分析；

3、本裝置結構簡單，安全可靠，操作方便，成像質量高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明水下熱切割機理觀察裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明切割工作臺結構示意圖；

圖3為本發(fā)明工件及其兩邊玻璃固定結構示意圖。

圖中：1.計算機，2.高速攝像機，3.排水導光通路，4.焊槍割炬，5.箱體，6.玻璃，7.工件，8.玻璃，9.切割工作臺，10.排水導光通路，11.龍門架，12.支撐座，13.底座，14.背景光源，15.導軌，16.導軌，17.絲桿，18.螺栓，19.滑塊，20.支撐座，21.聯軸器，22.支撐座，23.步進電機，24.步進電機，25.立柱，26.支撐座，27.底座，28.支撐座，29.滑塊，30.螺栓，31.豎直導軌，32.豎直絲桿，33.豎直導軌，34.支撐座，35.支架。

具體實施方式

下面詳細討論實施例的實施和使用。然而，應當理解，所討論的具體實施例僅僅示范性地說明實施和使用本發(fā)明的特定方式，而非限制本發(fā)明的范圍。在描述時各個部件的結構位置例如上、下、頂部、底部等方向的表述不是絕對的，而是相對的。當各個部件如圖中所示布置時，這些方向表述是恰當的，但圖中各個部件的位置改變時，這些方向表述也相應改變。

如圖1-圖3所示，本發(fā)明的一種水下熱切割機理觀察裝置，包括箱體5、x軸觀察系統、y軸移動系統、z軸移動系統，所述箱體5為中空的立體箱體，箱體5中充滿適用于進行熱切割的液體，待切割的工件7放置于箱體5內，工件7被切割液體覆沒。y軸移動系統沿平行于工件7的切割方向設置，工件7與所述y軸移動系統連接，y軸移動系統能夠帶動工件7在與箱體5一邊平行的方向進行位置調整。x軸觀察系統沿垂直于工件7的切割方向設置。z軸移動系統設置于所述y軸移動系統的一側，z軸移動系統上固定有焊槍割炬4，z軸移動系統驅動所述焊槍割炬4在垂直與水箱底面的方向上進行位置調節(jié)。

如圖1所示，x軸觀察系統包括排水導光通路3，排水導光為一圓筒形通道，并且沿垂直于所述y軸移動系統布置的方向設置于水箱的側壁，并且延伸凸出箱體5的側壁。圓筒形通道的中間部分斷開，而該空缺的部分用于放置工件，排水導光通路3對準工件切割位置。圓筒形通道與所述箱體5接觸的位置設置有透明鏡片，透明鏡片在水箱接合位置密封從而防止液體的泄露。

x軸觀察系統還包括計算機1、高速攝相機2與背景光源14。高速攝相機2與背景光源14沿排水導光通路3的軸線設置于排水導光通路3的兩端。高速攝相機2連接計算機1，高速攝相機2將拍攝的切割數據傳送至計算機1的顯示終端。

如圖1所示，y軸運動系統包括龍門架11、導軌15，16、絲桿17以及滑塊19。龍門架11橫跨于箱體5的上方，并且龍門架11的橫梁平行于工件7的切割方向設置。龍門架11的橫梁上固定安裝有所述導軌15，16與絲桿17，所述導軌15，16與絲桿17平行設置。導軌15，16上可移動的安裝有所述滑塊19，滑塊19上與所述絲桿17螺旋連接。在本實施例中，導軌為截面為圓形的導軌，導軌15，16的數量優(yōu)選為兩根并且根據滑塊的尺寸大小平行間隔布置。導軌15，16的一端固定在步近電機支撐座22上，導軌15，16沿龍門架穿過支撐座20，導軌15，16的另一端固定在龍門架尾端的支撐座12上。支撐座12通過底座13固定在龍門架11上。

y軸運動系統還包括步進電機23，步近電機23設置于所述導軌15，16的一端，步進電機23的輸出軸與所述絲杠17連接。步進電機23正轉或反轉帶動所述絲杠17轉動，絲杠17驅動所述滑塊19在導軌15，16進行平移。本實施例中優(yōu)選步近電機的驅動方案，應當理解的是，在其他實施方案中可以選擇手動的驅動方式。

如圖1所示，y軸移動系統還包括切割工作臺9，所述切割工作臺9包括連接桿與盛放框，所述連接管一端固定連接在所述滑塊19上，所述連接桿朝所述箱體5的底面的方向延伸，所述盛放框固定在連接桿上遠離滑塊19的一端。滑塊19能夠驅動所述切割工作臺進行位置調整。

如圖1所示，z軸運動系統包括立柱25、豎直導軌31，33、豎直絲桿32、豎直滑塊29、支架35與豎直步進電機24。立柱25設置于y軸移動系統的一側，立柱25沿垂直于箱體5底面的方向布置。立柱25上固定安裝有所述豎直導軌31，33與豎直絲桿32，豎直導軌31，33與豎直絲桿32平行設置，豎直導軌31，33上可移動的安裝有豎直滑塊29，豎直滑塊29與豎直絲桿32螺旋連接。支架35為一l形的連桿，該支架35的短桿固定在滑塊29上，支架35長桿的一端設有滑套，滑套上固定安裝有焊槍割炬4。豎直步近電機設置于所述立柱25的頂端，豎直步近電機24的輸出軸與所述豎直絲桿32連接，豎直步進電機24正轉或反轉帶動豎直絲杠32轉動，所述豎直絲杠32驅動豎直滑塊29在豎直導軌31，33上移動，從而帶動焊槍割炬4在豎直方向進行位置調整。在本實施例中，導軌為截面為圓形的導軌，導軌31，33的數量優(yōu)選為兩根并且根據滑塊的尺寸大小平行間隔布置，豎直絲杠32轉動設置于導軌31，33之間。導軌15，16的一端固定在步近電機支撐座22上，導軌15，16沿立柱25穿過支撐座20，導軌15，16的另一端固定在龍門架尾端的支撐座12上。支撐座12通過底座13固定在龍門架11上。

工件7固定放置在切割工作臺9上，工件7為一截面為矩形的長條形的塊狀零件，工件7位于兩塊平行設置的玻璃6,8之間，兩塊玻璃夾緊所述工件7。在本實施例中，工件7加工成窄條狀，其厚度低于熱切割所能形成割口的寬度，因此當工件7形成割口后，背景光源14可穿過割口。切割工作臺9中間部分是鏤空的，玻璃6和玻璃8為高硼硅gg17型耐820℃玻璃，厚度為3-10mm。背景光源14可以調整光源的強弱，高速攝像機2鏡頭前端配有減光片和濾光片。步進電機23和步進電機24為86型電機，步距角為1.8°，靜力矩為8.5n.m。更進一步的是，兩片玻璃6，8通過夾具固定在切割工作臺9上，夾具優(yōu)選為切割工作臺上設置的固定槽，或者是通過螺栓擋塊將兩片玻璃6，8互相抵緊，又或者是通過彈簧夾緊塊推緊。

具體實驗方法的實施例為：

水下熱切割方法以水下熔化極電弧熱切割為例，其裝置具體操作步驟如下：

第一步，將工件7及其兩邊的玻璃6和玻璃8通過夾具夾緊固定在切割工作臺9上且平行于y軸運動系統上的絲桿17。其中，工件7為16mm厚的低碳鋼板，寬度加工為10mm。

第二步，通過y軸運動系統調節(jié)切割工作臺9的位置，通過z軸運動系統調節(jié)焊槍割炬4的高度，使得水下熱切割焊槍割炬4上的導電嘴端部到工件7上表面的距離為10mm，并使得排水導光通路3與排水導光通路10的貫穿面經過焊槍割炬4端部、工件7被切割區(qū)域。

第三步，打開背景光源14與高速攝像機2，調節(jié)背景光源14與高速攝像機2的位置，使得背景光源14發(fā)出的光源經過排水導光通路3和排水導光通路10被高速攝像機2接收。調節(jié)背景光源14光強，調節(jié)高速攝像機2上的減光片并匹配相應波長的濾光片。此處采用中心波距為680nm，寬度為10nm的濾光片，減光片為50％，光圈f5.6；

第四步，將水箱5將加滿水，打開切割電源，調節(jié)切割參數，切割電流設為500a，切割電壓設為45v。切割實驗時，z軸運動系統帶動焊炬割槍4做上下周期性運動，y軸運動系統帶動切割工作臺9上的工件7水平移動，速度為130mm/min。隨著切割過程的進行，在熱源的作用下，金屬被熔融吹落，切割割口逐漸形成，背景光源14發(fā)出的背景光依次穿過排水導光通道10、玻璃8、割口、玻璃6、排水導光通道3進入高速攝像機2，高速攝像機2實現對割口及電弧區(qū)域的觀測；

第五步，切割結束后，對高速攝像機2采集的圖像通過計算機1處理并分析。

以上已揭示本發(fā)明的技術內容及技術特點，然而可以理解，在本發(fā)明的創(chuàng)作思想下，本領域的技術人員可以對上述公開的構思作各種變化和改進，但都屬于本發(fā)明的保護范圍。上述實施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本發(fā)明的保護范圍由權利要求所確定。